（电力电子与电力传动专业论文）智能断路器理论方法与关键技术的研究.pdf

武汉理i ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t n l ec i r c u i tb r e a k e ri st h em o s ti m p o r t a n ta n dp r o t e c t i v ee q u i p m e n ti np o w e r s y s t e m w h i c hp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h em a i n t e n a n c eo ft h ep o w e rs y s t e m s e c u f i t y e c o n o m i ca n dr e l i a b l eo p e r a t i o n h o wt om a k et h ec i r c u i tb r e a k e rm o r e i n t e l l i g e n t a n dm o r es e c u r ea n dr e l i a b l e w h i c hi sr e q u i r e m e n tf o rp r o t e c t i o ni np o w e r s y s t e m ，a l s oi st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dp u r p o s e i nt l l i s p a p e r ，o nt h eb a s i so fd e p t h s t u d yo ft h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n t b r e a k e ra th o m ea n da b r o a d t h eh a r d w a r eo fs y s t e mi sm a d eu po fc i r c u i tc o r e d a r o u n dd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o e e s s e r ) a n dc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m a b l el o g i c d e v i c e ) d s pi st h ec o r ed e v i c ei nc i r c u i tb r e a k e rs y s t e m i tt a k e so nm a n yp r o t e c t i n g f u n c t i o n ss u c ha sp r o t e c t i o n ，a l a r m i n g ，s h o wa n dc o n t r 0 1 c p l dc o m p l e t es t a t u so ft h e m o n i t o r i n g ，a n dd s pc o m m u n i c a t i o n ，t h eo u t p u ts i g n a ls t a t u s t w od e v i c e sc o o r d i n a t e w i t he a c ho t h e rm a k e sc i r c u i tb r e a k e rs y s t e mm o r ei n t e l l i g e n t t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa l lk i n d so fm e a s u r i n ga n dp r o t e c t i n ga r i t h m e t i ca b o u t i n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n dt or e a l i z et h e p r o t e c t i o n ，r e m o t ec o n t r o l ，c e n t r a l i z e dm a n g e m e n to ft h ei n t e l l i g e n tc i r c u i tb r e a k e r i n m i sp a p e r , d s pc h i pt m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7p r o d u c e db yt ic o r p o r a t i o ni sa d o p t e da s c o n t r o lc e n t e r t ou s et h ec a n2 0m o d u l ei nt h et m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 t h r o u g ht h ec a n b u sc i r c u i tb r e a k e r sc a r lc o m m u n i c a t ew i t hp c ，w h i c hc a nr e a l i z et h ef o u n c t i o no f r e m o t et e s t ，r e m o t et r a n s f e r , r e m o t ec o n t r o la n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o n t h eh a r d w a r e d e s i g ni sm a d eu po fd s p l e a s ts y s t e m ，o n o f l fq u a n t u mi n p u tc i r c u i t ，s i g n a ls a m p l i n g c i r c u i t c p l dc i r c u i t ，i n p u ta n do u t p u tc i r c u i t s o f t w a r et a k em o d u l ed e s i g n ，i ti se a s y t ob ee x p a n d e d t h ed e b u gi s a q i l i t ya n dc o n v e b i e n c e r e l i a b i l i t y i s g r e a t l y i m p r o v e d t h ef l o wc h a r t so fm a i np r o g r a ma n dt h es u b p r o g r a m sa r ee x p o u n d e d a n d t h e s u b p r o g r a m s i n c l u d e3 一s e c t i o nc u r r e n t p r o t e c t i o np r o g r a m l c dd i s p l a y p r o g r a m f f tp r o g r a m ，c o m m u n i c a t i o np r o g r a me t c t h ed e s i g nt a k e sf u l la c c o u n to f t h ec i r c u i tb r e a k e ro ft h ep o o rw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，a l lo ft h es o u r c e so fi n t e r f e r e n c e ， a n di n t e r f e r e n c eo fa l lk i n d st ot a k et h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e s f i n a l l y , i no r d e rt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e i n t e l l i g e n tr e l e a s ea n dt h ep co rb e t w e e nt h ei n t e l l i g e n tr e l e a s ea n do t h e rc o n t r o l u n i t c a nc o m m u n i c a t i o na r ed i s c u s s e d f i n a l l y , i no r d e rt ov e r i f yf u l l w a v ef o u r i e r a l g o r i t h mc a nm e e ta c c u r a c yr e q u i r e m e n t so f t h ed a t a - p r o c e s s i n gi nt h ep o w e rs y s t e m ， u s e 【a t l a bt os t r u c t u r e ss i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t f u l l w a v ef o u r i e ra l g o r i t h mc a na c h i e v es y s t e mr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c i r c u i tb r e a k e r ，c a n ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：瘩圹e l 期：? ，? 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 武汉理工大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着国民经济的飞速发展，各行各业对电力系统的供电质量和供电可靠性 的要求越来越高。要实现持续供电，即使在出现故障时，也能够尽可能在短时 间内恢复供电，并使故障范围尽可能小，这就要求电力系统具有较高的自动化 和智能化水平。作为电力系统中开关设备的断路器在配电、保护线路和保护工 业设备中发挥着重要的作用。断路器俗称自动开关，它是一种既有手动开关作 用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能， 对电源线路及电动机等实行保护，当电力系统发生严重的过载或者短路及欠压 等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组 合【l 】。它被广泛应用于配电系统、电力输送系统以及用电设备中，用来保护用电 设备和电缆等。在电力系统故障排除后，断路器可迅速恢复供电。断路器不仅 能就地操作，还可以远距离操作，且安全、方便。 传统的断路器是利用某些物理效应，通过机械动作来实现电路的闭合与断 开，因此体积普遍比较大，功耗大，温升高，准确率低，速度慢，保护针对性 太强，不能随被保护设备的改变而改变，给具体应用带来不便，最大的缺点是 不具有智能化。随着现代电力系统综合自动化和调动自动化的兴起以及电力系 统光纤通信网络的逐步形成，从而使得电网保护不能也不应该再是一个孤立的， 任务单一的，“消极待命”的装置，而应该是积极参与，共同维护电力系统整体 安全稳定运行的计算机自动控制系统【2 】。电网保护不仅要能实现被保护设备的切 除，或自动重合，还可作为自动控制系统的终端，接收调度命令实现跳、合闸 等操作，以及故障诊断，稳定预测，安全监视，负荷控制等。这要求继电保护 技术沿着智能化，网络化，自适应和保护，测量，控制，数据通信于一体的方 向发展。在这种发展方向的要求下，传统的断路器已经远远不能满足电力系统 的要求了，对于单台断路器要求其自动化，智能化，模块化，对于电力系统中 武汉理【大学硕士学位论文 的多台断路器要求能实现联网通信，分散控制集中管理的功能。微控制器的飞 速发展，使得满足以上要求的智能断路器的出现成为可能【3 1 。 1 2 智能断路器研究现状及其发展趋势 智能断路器的核心是智能控制器，其性能的高低是判断智能断路器是否先 进的主要依据。自从2 0 世纪7 0 年代开始出现了智能控制器，随着微电子技术 的广泛应用，计算机与网络通信技术的快速发展，以及对信息传输技术、传感 技术和人工智能的深入研究和综合应用，智能控制器出现了突飞猛进的发展局 面，智能型控制器的不断发展也促进了智能断路器的功能扩展。 1 2 1 智能断路器的研究现状 目前，国内外断路器生产企业生产出了不同系列的各种智能断路器，在国 外生产智能断路器比较著名的有a b b 公司的f 系列、西门子公司的3 w n 6 系列 以及法国施耐德公司的s t r 系列等；近年来不少国内企业也开发出了比较先进 的智能断路器，有m 系列、a h 系列、s t 系列以及d w 4 8 系列。上述智能断路 器尽管各有特色，但其功能有许多相似之处：1 瞬动保护：2 短延时保护；3 长 延时保护；4 接地故障保护；5 负载监控；6 过载指示；7 电流测量显示；8 通信。 整体上说国内智能断路器的水平与国外相比，不论从制造工艺还是性能，都还 有一定的水平差距。目前国内的断路器企业正投入很大的人力、财力来开发新 型的智能断路器1 4 , 5 。 高性能微处理器的出现给智能断路器的发展提供了很大的硬件技术支持， 智能断路器采用的中央处理器经历了从最初8 位的5 1 系列到后来1 6 位系列的 单片机，当今的d s p 系列这三个阶段。以下以这三个阶段来分析研究智能断路 器的研究现状。 在国内智能断路器采用5 l 系列单片机做微控制器进行设计的企业还是比较 多，技术也比较成熟，而且5 1 系列单片机具有价格方面的优势，但是5 l 系列 单片机存在本身的固有缺陷：指令执行时间长；内部资源少，需要外扩，导致 线路设计复杂；总线开放需要进行数据和地址总线的扩展，降低了系统可靠性， 2 武汉理j i ：大学硕士学位论文 因此采用5 l 系列单片机做为微控制器的设计方案会限制智能断路器的性能。 用在智能断路器中的1 6 位系列的单片机，主要是i n t e l 公司生产的 8 0 c 1 9 6 k c ，t i 公司生产的m s p 4 3 0 f 1 4 9 通用型单片机和m i c r o c h i p 公司生产的 p i c l 6 f 8 7 7 ，在实际生产的智能断路器中其微控制器也有采用工业专用型单片 机。1 6 位系列单片机与8 位的5 l 系列单片机相比具有更为丰富的片上资源，使 得智能型断路器的设计更加简便可靠，性能更高，在动作的准确性和快速性， 内置通信、测量监控等方面具有突出的优势。虽然1 6 位系列的单片机与d s p 在 性能上有一定的差距，但由于智能型控制器对于性价比的要求也很高，所以在 目前国内外各智能断路器生产商广泛采用1 6 位系列的单片机作为微控制器【6 】。 d s p 芯片虽然目前价格上没有1 6 位系列单片机的优势，可是d s p 芯片具备 丰富的片上资源和更多的外设功能，它拥有增强型的c a n 控制器模块和两个串 行通信接口，可以实现更多类型的通信方式。此外更重要的优势是具有高速处 理数据的能力，它能快速的对检测机构传来的信号进行分析处理，具有高实时 性，高准确性的优点。用d s p 实现的精确可靠的算法，更能提高抗干扰的能力。 这样断路器就能在不同的条件下做出正确的判断和决策，实现断路器的智能控 制。d s p 还提供了虚拟浮点数学函数库、快速傅里叶变换的算法函数库、滤波 器库等，这些函数库可以简化应用系统的开发，并且使断路器对功率、功率因 数的测量和监控以及谐波的测量的功能实现更加容易。 1 2 2 智能断路器的发展趋势 智能断路器已不是简单意义上的一台保护装置，它将计量、控制、通信等 功能融于一体。微控制器技术的不断发展为智能断路器向功能多样化，结构模 块化，工作可靠化，性能优越化提供了坚实的技术保障，智能断路器的技术研 究将向以下几个方向发展【7 , 8 , 9 1 ： ( 1 ) 总线技术主要是应用于过程控制、生产自动化、配电系统和楼宇自动 化等场合，采用串行通信方式实现现场设备与主控制器进行双向通信。研究开 发合适、灵活的现场总线技术应用于智能断路器，提高传输的信息量，提高信 息传输的精度，从而提高系统的性能以及可靠性。另一方面，系统的通信协议 向着标准化、开放性发展的同时，更加要注重互联性网络接口的产品，以增强 各公司产品的通用性，是今后现场总线技术发展的方向。 武汉理 大学硕士学位论文 ( 2 ) 智能断路器朝具有对电网电力质量进行监控和通信功能的方向发展。如 监控电网的谐波分量、功率因数、波形畸变等，而且能记录电网的波形变化， 实时观测电网的工作情况。 ( 3 ) 随着人工智能技术的发展，将人工智能技术用于智能断路器可以提高控 制的准确度，这也将是智能断路器发展的一个方向。 1 3 课题研究的主要工作及成果 本论文设计的智能断路器系统既要保证实时性，及时地对电流的变化作出 判断和处理，又要保证准确性，同时还要保证其可靠性，而且为了达到对用电 设备更好的保护，还要使其智能化程度更高。 i 3 i 课题研究的主要工作 本论文主要研究断路器的智能化技术。该智能断路器硬件部分采用 d s p + c p l d 的模式，d s p 选取的是t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，它具有强大的数据 和信息处理能力，不仅能对大量的数字信号进行快速的运算，而且在谐波处理 方面具有一般微处理器所没有的优势。使用c p l d 可以减少很多单一功能的门电 路，使得p c b 面积减少和成本降低，采用v h d l 语言编制简单的逻辑程序，通过 编辑的程序可以实现一些外围控制电路的功能，为d s p 节省空间和时间，而且 还可以实现串口的扩展，由于断路器在关断、闭合作用时，会产生强的电磁效 应，如果直接由d s p 的g p i o 管脚去驱动，外部的电磁干扰可能会使d s p 的程序 跑飞或复位，严重地影响了执行的效果，所以系统开关量的输入输出都由c p l d 完成，这样就在很大程度上提高了系统的抗干扰能力。在软件部分，分模块来 进行设计，具有很好的运行稳定性、可靠性和实时性。 i 3 2 课题研究的成果 本文以d s p + c p l d 的模式设计智能断路器，并采用空芯电流互感器和铁芯电 流互感器配合来对电网电流信号进行全范围精度采样。用全波傅氏算法对进入 4 武汉理：1 ：大学硕士学何论文 d s p 内的离散电网信号滤波，这一系列方法确保断路器保护准确性得到提高。通 信方面，利用c a n 总线与上位机通信，确保了通信的快速和稳定。 1 4 小结 本章主要分析了智能断路器的研究现状和发展趋势。现在的电网保护已经 从原来单一的跳、合闸功能，向智能化，网络化，自适应保护方向发展，面对 电力系统对保护装置新的要求，作为主要保护设备的断路器在实时性，稳定性 和智能性等方面都必须有所改善。由单片机做微控制器的，只具有单一功能的传 统断路器已经不能满足电力系统保护的要求，现在需要的是具有强大数据实时 处理能力和通信能力的智能型断路器，在这种新的发展趋势和要求下，本论文 针对断路器的智能化进行了研究，采用d s p 加上现在普遍使用的功能强大的c p l d 芯片来进行设计。c p l d 芯片的快速性和可编程灵活性将使系统的实时性和灵活 性得到很大提高。本论文从硬件、软件和通信方面进行了精心的设计。 武汉理r 大学硕十学位论文 第2 章智能断路器的保护作用与实现方法 断路器的保护特性主要是指断路器对电流的保护特性，一般用各种过电流 情况与断路器动作时间的关系曲线来表示，如图2 - 1 所示。 断 路 器 动 作 时 间 图2 - 1 断路器三段电流保护特性曲线 作 g ( a ) 本论文设计的智能断路器要求实现三段保护功制1 0 】。在三段电流保护特性 曲线中，a b 段为过载长延时部分，具有过载电流越大，动作时间越短的反时限 特性；c d ，d e 段为短路短延时部分。其中d e 属于定时限动作，即当过电流达到 一定值时，经过一段固定时间的延时后再动作；c d 属于反时限特性，随着电流 越大动作时间越短；f g 段为瞬时动作部分，即当故障电流达到规定时，立即动 作，切断故障电路。 由于定时限特性具有整定计算和调试简便的优点，因此得到了普遍应用。 反时限特性的优点是：反时限特性与电流的大小有关，电流大时动作时间短， 电流小时动作时间长。所以在电源附近的线路上发生短路时可以较快地切除故 6 武汉理= 【：大学硕士学位论文 障，在远端短路时动作时间变长，故一般情况下用反时限过电流保护可以用较 短的平均动作时间切除短路故障。 2 1 智能断路器的保护作用 智能断路器不仅具有传统断路器通断负荷电流，接通和承受一定时间的短 路电流，在保护装置下自动跳闸，切除短路故障，在负荷投入或转移时，准确 开、合，在设备出现故障或母线、输配电线路出现故障时，能选择地动作，保 证非故障点的安全连续运行等功能，还应具有其自身的特点，即以智能微控制 器为核心来构建硬件系统，配合液晶显示和键盘便可给用户提供界面友好的运 行操作和参数设定平台。由于智能微控制器数据处理功能强，集成度高，所以 系统软件和硬件设计灵活，使智能型断路器实现了高可信度故障诊断和谐波分 析，并且让断路器具有了通信组网的功能，各种保护的动作参数也可以方便地 设定和修改。保护电路动作时的故障参数，可以存储在非易失存储器中以便查 询。若干个断路器通过互动网络可组成智能配电系统，具有遥测、遥控、遥信 和遥调等功能【l 。使得断路器的保护作用向数字化、智能化和网络化方向发展。 2 2 瞬时性保护的原理及实现方法 瞬时电流速断是一种常用的电力系统继电保护方式。瞬时性保护要求在简 单、可靠和保证选择性的前提下，保护装置动作切除故障的时间，原则上总是 越快越好。通常电力系统的每条线路要被分成若干段，每一段都有相应的断路 器保障线路的安全运行。按照继电保护装置的选择性要求，当某一段线路发生 短路故障时，该段内的断路器要首先动作，而且越快越好。这也就是所谓的瞬 动保护，也称为速断保护。其他未发生短路故障的线路段中的断路器，可以按 照要求，延时一定时间再动作。瞬动保护是所有电流保护中速度要求最快的保 护，一般要求断路器在2 0 m s 内动作。利用即采即比的方法，c p u 将采集来的电 流信号的峰值和整定值进行比较，如果某次的电流信号峰值大于整定电流值， 则再采样一次，两次的结果相近的话，说明发生短路故障。如果两次结果相差 7 武汉理一i ：人学硕士学位论文 很大，那么就不是短路故障。 它的主要优点是简单可靠、动作迅速，因而获得了广泛的应用。本论文通 过全周期离散傅里叶变换提取故障电流信号的基波有效值，然后与设定的阈值 进行比较，如果两次都超过阀值就立即启动保护。 2 3 短路短延时保护的原理及实现方法 1 2 , 1 3 短路短延时特性由两部分组成：反时限特性和定时限特性。根据1 e c 9 4 7 2 及g b l 4 0 4 8 2 低压开关设备和控制设备低压断路器标准规定，当试验电流达 到短路电流整定值的8 0 9 6 ，即8 倍额定电流时，断路器在规定时间0 2 s 内不脱 扣；试验电流达到短路电流整定值的1 2 0 ，即1 2 倍额定额定电流时，断路器在 规定时间0 2 s 内脱扣。 短延时保护有定时限和反时限之分，8 i ，为分界点，当短延时电流整定值小 于8 i ，时，智能脱扣器短延时特性具备反时限保护，大于8 i ，时，智能脱扣器短 延时特性只有定时限保护。短路短延时特性可实现保护的上限是0 4 1 ，。保护的 下限要根据瞬时电流整定值而定，对应不同的瞬时电流整定值有不同的保护范 围。具体的技术指标为： i = ( 0 4 一1 5 ) i ， ( 2 一1 ) 短延时动作电流在( 0 4 - 8 ) i r 之间时，特性呈反时限并满足式( 2 2 ) ： l 2 t = ( 8 ) 2 t ( 2 2 ) 式中i ，：断路器整定电流 i s ：线路短路电流 t ：短路短延时( 反时限) 动作时间 t s ：短路短延时( 反时限) 动作时间整定值 当短路短延时动作电流大于8 i ，时，智能断路器短延时特性自动转换为定时 限，与电流的整定值无关。定时限动作时间0 1 s ，0 2 s ，0 3 s ，0 4 s 可供选择。 当故障电流大于整定电流值时，启动定时器，只要定时时间一到，就产生 保护动作，在定时时间内，如果故障电流值小于整定值，则保护退出。 反时限保护实质为热保护，动作时间与电流平方成反比。为提高反时限电 流保护的实时性，本论文采用查表法确定保护动作特性，根据测得的过电流倍 武汉理工大学硕士学位论文 数，通过查表求得动作时间，定时时间到则保护动作。 2 4 接地故障保护原理及实现方法 接地故障是指供电线路和地发生短接而产生的故障，严重时会危及电气设 备和人身的安全。智能控制器必须在接地电流超过整定值时实现断路器的脱扣 或者发出报警信号，它实现的是定时限特性保护。具体的技术指标 为：i r 4 = ( 0 2 - 0 8 ) * i n ，t r 4 = 0 1 、0 2 、0 3 、0 4 s ，其中i r 4 为接地电流整定值， i n 为额定电流值。故障电流和动作时间整定值都可调节【1 4 】。 如果接地故障是导体通过电弧接地，则故障电流呈反复断续现象，在超过 电流整定值后不能持续到故障的整定时间，造成控制器不能正确的发出脱扣信 号，这就要求在软件设计的时候，让智能控制器附带记忆功能，把几次超过故 障整定电流值的时间记录下来，一旦累计的时间超过了故障整定时间，智能控 制器就能进行正确的脱扣。 2 5 过载长延时保护原理及实现方法m j 6 1 过载就是指供电线路中的电流高于额定电流的一种不正常的工作状态。过 载电流不会马上危害到电网和电器设备，但是如果长期存在的话，会使导体发 热，影响其使用寿命。过载保护的任务是，允许出现正常工作时出现的适度过 电流，如电动机启动或短时超载，但在超过允许负载时刻之前，线路应被及时 切断。过载长延时保护要求断路器与被保护设备的过载热特性有良好的配合，并 不是快速切断故障线路。因为过载电流( 超过1 3 倍额定电流) 时间过长，就 会引起设备元件超过允许的温升，缩短寿命，过载电流越大，断路器的动作就 要求越快：过载电流越小，断路器的动作就越慢，过载长延时保护具有反时限 特性。作为智能断路器，反时限长延时保护的判断依据是：通过判断断路器的 实际电流产生的热效应( 温升) 是否达到设定的阐值。在物理上就是模拟断路器 触头的发热过程，一旦热量积累到一定程度则脱扣。 过载长延时特性的数学表达式为： 9 武汉理工大学硕士学位论文 ，2 t = ( 1 5 1 ) 2 疋 ( 2 3 ) 式中i ：断路器过载电流 t ：过载长延时保护动作时间 ， i ，：断路器整定电流 t e ：过载长延时保护动作时间整定值 智能断路器脱扣标准要求：当过载电流在1 0 5i ，之内时，必须大于2 小时动 作；当过载电流为1 3 0i ，时，1 小时内脱扣；当大于2 0i ，时，按照上面的过载 长延时特性数学表达式实时脱扣；当过载电流大于或等于1 5i ，时会被短延时特 性所覆盖，即短延时优先动作，1 5i ，为过载长延时保护范围的下限。 2 6 小结 本章对智能断路器的保护方法进行了理论研究。就瞬时电流速断，短路短 延时，过载长延时三段电流保护特性以及接地故障保护的原理和实现方法分别 进行了论述。断路器电流保护方法的主要设计思想是将电网中经过采样并计算 得到的电流值与三段电流保护整定值进行比较，超出整定值则进入故障保护响 应状态。为了保证过电流保护的选择性动作，除动作电流的正确配合外，还必 须保证动作时间的配合，即对定时限和反时限保护的选择。其中，定时限保护 的实现原理比较简单，当故障电流值大于相应的整定电流值时，启动定时器， 定时器时间到，保护动作，在定时时间内，如果故障电流小于整定值，则保护 退出。反时限保护实质为热保护，动作时间与电流平方成反比，根据测得的过 电流倍数，计算求得动作时间，定时时间到，则保护动作，在定时时间内，如 果故障电流值小于整定值，则保护退出。 l o 武汉理工大学硕十学位论文 第3 章智能断路器的硬件设计 硬件系统是实现智能断路器功能的基础，硬件部分设计的好坏直接影响到 断路器功能的实现和工作的可靠性。硬件设计主要围绕着信号采集与调理、参 数输入与输出、液晶显示，通信，保护控制等功能进行。 。本论文研究的智能断路器的主控单元采用d s p ，用其控制外围电路来实现所 需的各种功能。硬件主要由微控制器模块、信号采样模块、液晶显示模块、键 盘输入模块、通信模块、脱扣输出模块，执行单元等几个部分组成。智能断路 器系统在不需要分闸时采集显示电力系统参数和自身的工作状态参数，根据要 求将采集结果传送给上位机，如果电力系统发生故障需要分闸或收到正常分闸 命令，则根据处理结果调节分闸速度，从而得到最佳的分闸效果。其原理框图 如图3 1 。 图3 1 智能断路器硬件总体框图 电压、电流互感器将主线路的电压，电流信号转换成模拟电路可处理的电 平信号，信号调理单元则对这些信号进行滤波，然后再送入a d 转换模块转换成 武汉理工大学硕十学位论文 数字信号；d s p 对这些信号进行逻辑运算与处理，运行结果与整定值比较后输 出符合预设保护特性的逻辑电平信号，这些信号通过c p l d 后，再经过放大， 然后直接驱动断路器的执行机构使断路器动作。为了状态的快速检测和输出执 行信号的可靠性，将由c p l d 完成状态量的监测，各种控制逻辑信号也是由c p l d 产生。故障保护的电流和时间整定值通过键盘设定预先存储在e e p r o m 中。并 可以随时修改。此外，当产生特大短路电流时，特别设计了模拟电路立即控制 执行单元，使断路器动作，由于没经过d s p 处理，所以响应速度很快。 系统中若干个断路器可以通过c a n 总线连接，通过上位机集中管理，断路 器可以将线路以及断路器状态上传给上位机，也可通过上位机遥控断路器，并 记录故障时间与类型，便于整个系统的调度。 3 1d s p 的选型 对微控制器的基本要求是其应具有硬件通用化、应用灵活化、记忆、计算、 查表能力，指令系统适合实时控制、执行速度快等一系列优点。智能化断路器 系统对微控制器的要求也是如此，特别对实时性和稳定性要求很高。 d s p 是一种具有特殊结构的微控制器，为了达到快速数字信号处理的要求， d s p 芯片具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作流程、单周期完成乘累加 操作的硬件单元以及一套适合数字信号处理的指令集。d s p 面向高速、重复性、 数值运算密集型的实时处理，如f f t 运算不仅处理速度快，而且可以无间断地 完成数据的实时输入和输出。d s p 结构相对于单一，普遍采用汇编编程，其处理 完成时间的可预测性要比结构和指令复杂、依赖于编译系统的普通微处理器强 得多。由于d s p 具有智能断路器系统核心控制单元所必需的强大的数据实时处 理能力，所以本论文的微处理器决定选择d s p 。 选择什么型号的d s p 芯片是设计d s p 应用系统时非常重要的环节。选择 d s p 芯片应根据实际的应用系统需要而确定。不同的d s p 应用系统由于应用场 合、应用目的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。在充分考虑了智能 断路器系统对d s p 芯片的运算速度，d s p 芯片的软、硬件资源，d s p 芯片的运 算精度的要求。并兼顾d s p 芯片的价格，d s p 芯片的开发工具以及d s p 芯片的 功耗等因素后。本论文决定采用美国德州仪器公司推出的1 6 位定点d s p 芯片系 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 列t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 中的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理芯片作为主控单元，使其 控制其它外围电路来实现各种功能。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的特点包括【1 7 1 ： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器 的功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ，从而提高了控制器的实 时控制能力。 ( 2 ) 基于1 m s 3 2 0 c 2 ) ( ) i d s p 的c p u 内核，保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列的 d s p 代码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 ( 3 ) 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程序 r a m ，5 4 4 字双口r a m 和2 k 字的单口r a m 。 ( 4 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器； 8 个1 6 位的脉冲调制通道。它们能够实现：三相反相器控制；p w m 的对称和非 对称波形；当外部引脚出现低电平时快速关闭p w m 通道；可编程的p w m 死区 控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3 个捕获单元；片内光电编码器接口； 1 6 通道a d 转换器。事件管理器模块适用于控制交流感应电机，无刷直流电机， 开关磁阻电机，步进电机，多级电机和逆变器。 ( 5 ) 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字的空间：6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字数据存储器空间；6 4 k 字i o 寻址空间。 ( 6 ) 看门狗定时器模块。 ( 7 ) 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触 发两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转化器。 ( 8 ) 控制器局域网络2 0 b 模块。 ( 9 ) 串行通信接口模块。 ( 1 0 ) 1 6 位的串行外设接口模块。 ( 1 1 ) 基于锁相环的时钟发生器。 ( 1 2 ) 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚。 ( 1 3 ) 5 个外部中断，包括两个电机驱动保护，复位和两个可屏蔽中断。 ( 1 4 ) 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设期间转入低功耗工作 模式。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的特点能很好的满足智能断路器系统对性能的要求，并且应 用成熟，所需外围元器件少，使得设计简单，布线方便，提高了系统的可靠性， 而且在稳定性和抗干扰能力上都有极大提高。这样，经过软件的精心设计可以 武汉理r 大学硕十学位论文 完成全部功能，实现精确的、始终一致的选择性匹配保护，使电力系统的可靠 性大大提高。 3 2 智能断路器的硬件设计 硬件电路是智能断路器工作的基础，设计的好坏直接影响到断路器功能的 实现。本节将依据其原理具体介绍智能控制器各单元的设计，其中，硬件包括 原理设计、电路的完成和几个模块的具体实现，最后就断路器可能遇到的干扰 提出了相应的抗干扰措施。 3 2 1 信号采样模块设计 电流、电压互感器将主线路的电压， 平信号，调理电路对这些信号进行隔离， 成数字信号，送入d s p 进行信号处理。 电流信号转换成模拟电路可处理的电 滤波，放大，再经过a d 转换模块转换 信号采样单元的转换线性和精度将直接影响关键数据的可信度，这些数据 是智能断路器工作的基础，只有线性度较好的信号才能保证d s p 进行准确计算 和处理。常用的电流互感器有铁芯和空芯两种，铁芯型互感器在处理小电流时 线性度很好，但当出现高倍数短路电流时，容易饱和，从而使测量失真，铁芯 电流互感器的输入输出特性如图3 2 ；空芯互感器在处理大电流时线性度好【1 8 】， 但在小电流时易受干扰，同样也会产生失真，测量误差大，空芯电流互感器的 输入输出特性如图3 3 。 在电力系统运行过程中，短路时的故障电流要比正常运行时的稳态电流大 数倍甚至几十倍。因此，如何既提高小电流时的测量精度，又兼顾电流的测量 范围，实现全范围的电流精确测量，即研究全范围内高精度、高线性度的测量 方法是断路器实现智能化的关键技术之一。若采用单一互感器来实现这个功能 比较困难。所以本论文中同时采用铁芯型电流互感器和空芯型电流互感器采集 电网上的电流信号，当线路正常工作时，电流较小，铁芯型电流互感器负责采 集数据；而当出现短路故障，电流很大时，则空芯型电流互感器采集电网数据。 1 4 武汉理 大学硕十学位论文 5 4 。3 2 l ，k a 图3 2 铁芯电流互感器的输入输出特性 l t | k a 图3 3 空芯电流互感器的输入输出特性 互感器选择原理图如图3 - 4 ，先将电流互感器输出的电流信号转换成电压信 号，当正常工作时电流信号相对较小，经过转换得到的电压信号小于基准电压， 比较器输出为0 ，多路转换开关将铁芯电流互感器的信号传到后面的信号调理模 块。当出现故障时电流将很大，这时铁芯电流互感器输出会很大，但已经进入 了饱和，测得的结果已不准确，这时电压比较器输出为l ，多路转换开关将空芯 电流互感器的输出信号传到后面的信号调理模块。 武汉理i ：大学硕十学位论文 邑流互感器 电压比较器 电压 到信号调理 多路转换开 关 流互感器 图3 - 4 互感器选择原理图 模块 对输电线路保护来说，正常运行时为额定电流，当出现故障时，电流互感 器二次测电流可以达到额定电流的十几倍至二十几倍。因此电流互感器的动态 范围可按0 1 i - 2 0 i n 考虑。对电压互感器，正常工作时为额定电压，故障时电压 是降低的。对于短线路保护而言，由于电源线路阻抗比很大，线路末端故障时 保护安装处的残压很小，测量电压的相对误差变大，所以要求a d 转换单元能在 信号幅值较小时，有足够的精度，因此电压变换器的动态范围可按0 0 1 u n - 1 2 u 。 考虑。当a d 芯片为n 位，电流输入信号的最大值为i m 缸，最小值为i m i n ，并要 求舍入误差小于e 。在继电保护中反应的都是双极性信号，最高位为符号位， 只有n 1 位来表示数值，于是有： ， 蔫= e ，一i l u 。l l ( 3 - 1 ) ，v 一- 为了保证误差小于1 0 ，即 南x 1 0 0 = 碟知枷。幺圳 2 ， 根据式( 3 2 ) ，必须使得n 1 2 ，才能保证误差小于1 0 。所以为了满足智 能断路器系统设计的要求，考虑到a d 转换器的分辨率、转换速度、量化误差等 方面，d s p 自带的1 0 位a d 转换器无法满足要求。本设计选择a d 7 8 6 5 转换芯 片。a d 7 8 6 5 是一种高速、低功耗、四通道同步采样的1 4 位a d 转换器，由5 v 1 6 武汉理r ：人学硕士学位论文 电源提供工作电压。芯片内部包含一个比较器，四个跟踪保持放大器，一个内 部2 5 v 的参考电压和一个1 4 位的高速并行口。芯片的四个同步采样通道可保持 四路信号的相对相位信息【l9 1 。 v 附广v i n 4 为四个模拟信号的输入通道，每个通道有a 和b 两个管脚。每个输 入通道既可以设置为+ 5 v 的输入范围也可设置为+ 1 0 v 的输入范围。若要设置成 + 5 v 的输入范围必须将管脚v l n x b 相连接，输入电压v i 噱a 同时加于二者之上；若要 设置成+ 1 0 v 的输入范围，必须将管脚模拟地相连，输入电压施加在管脚v l n x a 上。 管脚v l 。x a 和v i n x b 输入是对称的并且完全可以互换的。也就是说，在+ 1 0 v 的输入 范围时，如果为了p c b 布线的方便，可将v i 。x a 接地，而接v i n ) 【b 输入电压。在本 次设计当中，由于选取的精密电压和电流互感器的输出电压信号峰峰值最大为 + 5 v 所以将输入的电压范围设置成了+ 1 0 v 。 v i n 广v i n 4 的中任何几个组合都可以被选中进行转换，选中的通道按照升序 进行转换。通道选择既可以用硬件通道选择输入管脚s l l - s l 4 ( 如果h s 接低 电平) ，也可以通过对通道选择寄存器进行编程来实现( 如果日s 接高电平) ， 当c o n v s t 变为逻辑高电平时，若某硬件通道选择输入管脚接逻辑高电平( 或 通道选择寄存器某一位为逻辑1 ) ，则标志着相应的输入通道被选中。数据总线 中的d b 0 - d b 3 是双向的，并且在r d 为高电平而回和w r 为低电平时作为通道 选择寄存器的输入管脚。当w r 变为高电平时，d b 0 - d b 3 的逻辑状态被锁入该寄 存器。在选择了转换通道之后，给c o n v s t 一个负脉冲就可进行一个转换顺序， 在c o n v s t 的上升沿各路模拟信号被同时采样，最少7 0 n s 后b u s y 管脚输出变为 高电平，表示转换正在进行，不能进行新的转换，当它的输出出现下降沿时表 示各通道转换结束。转换结果既可在转换过程当中在每个通道转换完毕时被读 取，也可在各通道都转换完毕时被依次读出，出于可靠性方面的考虑，本设计 选择了后者。 在本设计中，a d 7 8 6 5 采用内部时钟工作，因此日s 引脚接低电平，这样的 好处是简化了硬件电路，并且每个通道的转换时间仅是采用外部时钟的7 5 ，尽 管这样将无法做到两片芯片的完全精确同步，但这是在误差允许范围之内的。 为了进一步提高